CN1132559A - 聚合物分散型铁电液晶显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新颖的聚合物分散型铁电液晶显示器(PDFLCD)。诸如TFTLCD之类的有源矩阵LCD，向列LCD的低响应速度的方案需要很高的生产成本。FLCD采用铁电液晶，呈现非常快的响应速度，但导致不稳定结构，难以制造及不适合表达灰度级，同时，PDLCD呈现简单结构、宽视角和高强度，但其低对比度使它不适合图象显示。本发明组合了PDLCD和FLCD，即把铁电液晶的微滴分散在聚合物基质中，使它们取长补短。结果，提供了一种具有快捷响应速度、抗外来振动或耐热性、及高对比度的新颖的PDE LCD。此外，本发明的PDF LCD不呈现双稳特性，能表达灰度级，这样它就适用于制造大面积彩色图象显示器。

Description

聚合物分散型铁电液晶显示器件

技术领域

本发明涉及液晶显示器(LCD)，具体地说，涉及一种通过将铁电液晶(FLC)分散在聚合物基质中所构成的新颖LCD。

背景技术

显象管(Braun)通常用作诸如电视机等的图象显示设备的显示器。然而，显象管尺寸过大，功耗很高。因此，尤其是对于便携式显示器领域，近年来广泛采用了平板显示器(FDP)。在这些FDP中，最广泛采用的是LCD。LCD是一种典型的利用液晶(LC)的例如介电各向异性的电光特性的非辐射型显示器。

液晶按其分子结构分为层列相、向列相和胆甾相。其中，层列和向列LC能用于显示的用途。但是层列LC不容易排齐，在受热或振动的情况下排齐也不稳定，因此大多数实用的LCD采用向列LC。

作为向列LCD，已经采用了TN(扭转向列)或STN(超扭转向列)LCD。TN或STN LCD是通过使LC分子朝LC层的上下表面的相对扭转方向排齐而构成的，而且已被广泛采用。但是，它们不能达到快捷的响应速度，以及例如为获得高分辨率及大屏幕所必需的宽视角的可视性。因此，这些向列LCD不容易获得全色或动态图象。此外，它们不容易受激励，由于简单矩阵型向列LCD的光学响应取决于所加电压的平方，导致所选象素和未选象素之间没有多少电平差。因此，向列LCD由于图象质量不令人满意而最多只能用于便携式电视或笔记本型计算机的监视器。于是，开发出一种有源矩阵型TFT(薄膜晶体管)LCD，它能利用激励元件的阵列独立地切换各象素而快速工作。但是它有高度复杂的结构，需要高生产成本及难以制造大屏幕。

所有上述LCD需要LC分子朝LC分界面的规定方向排齐，以及采用独立的偏振器，用以缩窄视角及降低亮度。因此就开发出聚合物分散型(PD)LCD。它采用了把向列LC的超微细滴分散在聚合物基质中的结构。由于向列LC响应于外电场而具有正介电各向异性，所以当不施加电场时，它散射入射光而保持不透明状态。当施加电场时，LC微滴的LC分子朝一个方向排齐，而呈透明状态，允许光线透过。由于PD LCD不采用偏振器，从而导致简单结构、高亮度及宽视角。此外，它的聚合物结构能以低生产成本形成高强度的适应性强的大LCD。然而在这种PD LCD中，激励电压是通过聚合物基质加到LC上的，从而呈现高工作电压、大功耗和低对比度。结果，它能用来控制窗口(window)的采光，但不适用于诸如电视机等的图象显示器。

所有上述LCD利用了LC的介电各向异性，而其电光特性只取决于所加电压的强度，与其极性无关。相比之下，即使不加电场，铁电材料也自发偏振，呈现两种稳定状态的所谓双稳结构。最近据极导，手性C相的层列LC呈现出具有很高自发偏振的铁电现象，它适用于铁电LCD(FLCD)。

在FLCD中，LC分子的方向在两种状态之间变化，但不改变分子结构，因而不管LC的粘度如何都呈现非常快的响应速度。尽管向列LCD有几十或几百毫秒(ms)的响应速度，但是FLCD表现出快得多的几十微秒(μs)的响应速度。因此，FLCD克服了STN LCD的信息内容的限制，而且与TFT LCD相比减少了生产成本以及最初投资。

但是，手性C相层列LC不易排齐，排齐的结构容易受外来振动或热量而改变，这样就导致可靠性低。

另外，为了防止由手性特性所引起的LC的螺旋运动以及为了使LC朝规定方向排齐，应减少LC的厚度，即两个衬底之间的间隙。因此传统的FLCD在两衬底之间形成1-2μm的间隙，称之为表面稳定(SS)FLCD。但是在整个大面积上均匀地保持这种小间隙是很困难的，因此实际上是不可能制造大FLCD，尤其是SS FLCD的。

尽管其它的电压相关LCD可以通过控制电场强度来表达灰度级，但是FLCD不能表示本征灰色级，由于FLCD按照外电场的极性只有LC分子排齐方向的两种状态。

发明内容

考虑到上述各种传统的LCD的缺陷，为了对PD LCD和FLCD取长补短，本发明的目的是提供一种新颖的聚合物分散型铁电液晶显示器(PDF LCD)。

为了达到上述目的，根据本发明的PDF LCD具有两个以规定间隙相对的衬底，衬底上分别设有彼此相对的两个栅极，两个衬底之间充填了LC层，其特征在于：

LC层是通过将铁电LC微滴分散在聚合物基质中所构成的。

根据本发明的一个方面，铁电LC是手性C相层列LC。

根据本发明的另一个方面，充填在衬底之间的LC在其各分界面上朝规定方向排齐，而且通过摩擦排列层而排得最整齐。

根据本发明的又一个方面，在衬底上配置了诸如偏振器等的用于偏振的装置。

根据本发明所获得的PDF LCD表现出如同PD LCD那样的宽视角和高强度，以及如同FLCD那样的快捷响应速度。而且它克服了PDLCD的缺陷，而提供高对比度图象，解决了FLCD的排齐和灰度级的问题，而提供具有稳定特性的可靠排齐的结构，且能表达本征灰色级。而且PD LCD的盒间隙(cell gap)不应该是以如同SS FLCD那样的小间隙所形成的，因此制造PD LCD就变得容易，而且能简易地构成大LCD。

附图的简介

从以下的详尽描述，参照附图，本发明的这些及其它目的和优点就显得很清楚，其中：

图1是描绘本发明的PDF LCD的简化剖视图；

图2是表示PDF LCD对方波的响应的图象；

图3是例示PDF LCD根据所加电压变化的电-光特性变化的图象；

图4是表示本发明的PDF LCD的响应速度的图象。

参照图1，本发明的PDF LCD包括通过把LC微滴D分散在前后衬底F、R之间的空腔或盒隙内的聚合物基质M中而形成的LC层L。这种结构基本上类似于PD LCD的结构。然而在本发明中，形成LC微滴的LC是呈现自发偏振的铁电LC。铁电LC例如是手性C相的层列LC。与采用散射模式的PD LCD相比，本发明的LCD需要一种利用铁电LC的电-光特性的排齐结构。

两个衬底F、R的内表面上以矩阵形式配置了栅极G1、G2，用以施加电压选择象素，它们最好由诸如ITO(氧化铟锡)之类的透明导电材料所组成。

同时，排齐层A是分别形成在栅极G1、G2上的，使微滴D中的LC分子朝规定方向排齐。层A不仅用来使LC排齐，而且用来防止电流从栅极G1、G2直接流到LC。层A可以由聚酰亚胺所组成，它通常用来使TN或STNLCD排齐，必要时也可以采用排齐层A之外的其它聚合物或排齐装置。聚酰亚胺层在受到朝某些方向的摩擦后，能使LC微滴D中的LC分子朝规定方向稳定地排齐。

在各衬底F、R的外表面上，为了朝一个方向线性偏振入射光而安装了偏振器P1、P2，从而允许或阻挡光线的通过。这样就形成光学黑白状态，以表达信息。

剩下的编号S表示密封壁。虽然它没有清楚地绘出，但是玻璃或合成树脂的间隔件均匀地分布在两个衬底F、R之间的盒隙内，使两个衬底F、R之间的间隙保持均匀。

现在就描述制造本发明的上述PDF LCD的样品的过程。

首先，制备具有用LC层L充填盒隙的试验板。将两个衬底F、R与密封壁S相耦合就构成了试验板，各衬底F、R分别有栅极G1、G2和朝规定方向排齐的排齐层。在这个实例中，盒隙的厚度、即LC层L的厚度选为9.6μm。

接着，以规定的混合比混合LC和聚合物，形成LC层L。如果LC的量过量，LC微滴D和聚合物基质M就不能在相分离时完全分离，而在不完善的情况下，电-光特性也会变差。因此，选择适当的混合比是非常重要的。在这个实例中，Chisso的CS 2004(商品名)用作手性C相层列LC，NOA61 UV(紫外线)可固化聚合物作为聚合物。根据本发明人的试验，重量为1∶1.5至1∶10的范围看来是适合LC和聚合物的混合比的，在这个实例中，LC和聚合物是以1∶3的重量比予以混合的。

此后，将LC和聚合物的混合物注入试验板的盒隙中。为了防止由LC和聚合物之间的粘度差异所引起的混合物及组合染色的分离，注入时的温度最好较高。注入时的温度最好大约是LC从LC相变为各向同性液相的相转变温度，在本实例中，温度选为120℃。

如果在注入混合物后立即加UV，混合物就在稳定流动之前固化，这样混合物就在上述温度下在预定时间内保持不流动。在这个实例中，混合物在例如120℃的LC的相转变温度下保持十分钟。根据本发明人的试验，如果保持温度低，LC和聚合物就不会均匀地混和，而是分离；如果保持温度高，则排齐效果就减低。因此选定的保持温度对应于低至两种材料可以均匀混和的温度。

于是用UV辐照使LC和聚合物相分离。在相分离过程中，较高的周围温度或较高的UV辐照强度加快固化速度，以减小LC微滴D的大小。因此通过控制上述周围条件就能调节LC微滴的大小。根据本发明人的试验，当LC微滴的直径处于0.5μm-10μm的范围内时，就能获得适宜的光学特性。在这种情况下，两个衬底F、R之间的间隙，即LC层L或盒隙的厚度最好为使LC微滴D能充分分布于固化聚合物基质M内的值，例如处在2μm-10μm的范围内。

同时，分别将两个偏振器P1、P2安装到衬底F、R的外表面，其安装角由根据LC的倾斜角可获得最佳对比度的角所确定。在这个实例中，一个偏振器P1是以22.5°角安装的，另一个偏振器则与之彼此垂直。

现在就参照图2至图4描述如上所述构成的PDF LCD实例的电-光特征。

参照图2，其中示出了当500Hz的方波形成电压的脉冲加到这个实例时该LCD的电-光响应。如图中所示，本发明的PDF LCD很好地响应外电压场的变化，因而能用于电-光显示元件。

现在参照图3，图中示出了方波电压变化时通过两个偏振器P1、P2的光的强度。如图中所示，根据本发明的PDF LCD在低电压时线性响应，当电压升高时则平滑饱和。换言之，本发明的PD LCD并不表现出如同SS FLCD的双稳特性，而是呈现根据外加电压变化的连续光通过特性。因此改变外加电压就能达到表达本征灰色级的目的。

参照图4，图4示出了本发明的LCD根据外电场变化的响应速度。如图中所示，本发明的PDF LCD呈现大约0.1ms即100μs的响应速度。PDF LCD相对地并不比呈现几十μs的响应速度的FLCD快，但是比表现出几十ms的响应速度向列LCD快得多。

如上所述，本发明把PD LCD和FLCD组合起来，对它们取长补短，但是本发明的PDF LCD表现出新颖的电-光特性，这些电-光特性是不可能从PD LCD和FLCD的简单组合中预期到的。

因此，本发明的PDF LCD呈现如同传统FLCD的快速响应及高对比度，且消除了FLCD的缺陷，而获得稳定的排齐及表达灰度级。盒隙的厚度可以不如SS FLCD那样小的形成，因此容易构成大LCD。

此外，本发明的PDF LCD具有如同PD LCD的极好的强度，因此能构成抗外来振动或冲击的高强度LCD。而且它的宽视角也呈现优良的可视性。

尤其是，本发明的PDF LCD没有如同TFT LCD中的任何有源矩阵激励也呈现出快捷的响应速度，因此不需要任何有源元件而急剧减低了生产成本。

工业实用性

本发明PDF LCD的这些各种各样的特性适合在大屏幕上显示彩色图象，因此，本发明有助于制造例如高分辨率电视机之类的大面积彩色显示器。

Claims (14)

1.在液晶显示器中有两个以规定间隙相对的衬底F、R，两个在所述两个衬底F、R上分别配置的彼此相对的栅极G1、G2，充填在所述两个衬底F、R间空腔内的液晶层L，一种聚合物分散型铁电液晶显示器(PDF LCD)的特征在于：

所述液晶层L是通过铁电液晶的微滴D分散在聚合物基质M中所构成的。

2.根据权利要求1的PDF LCD，其特征在于：所述铁电液晶是手性C相层列液晶。

3.根据权利要求1的PDF LCD，其特征在于：所述液晶是在所述液晶层L的两个分界面上分别朝规定方向排齐的。

4.根据权利要求3的PDE LCD，其特征在于：所述排齐是通过将聚合物材料涂到栅极G1、G2上、以及摩擦所述聚合物涂层而完成的。

5.根据权利要求4的PDF LCD，其特征在于：待摩擦的所述聚合物材料是聚酰亚胺。

6.根据权利要求1的PDF LCD，其特征在于：用于偏振的装置进一步包括在所述衬底F、R上。

7.根据权利要求6的PDF LCD，其特征在于：所述偏振装置是线性偏振入射光的偏振器P1、P2。

8.根据权利要求1的PDF LCD，其特征在于：所述聚合物基质M中的所述微滴D的直径处于0.5μm-10μm的范围内。

9.根据权利要求1的PDF LCD，其特征在于：所述液晶层L的厚度处在2μm-10μm的范围内。

10.根据权利要求1的PDF LCD，其特征在于：所述液晶层L是通过将所述铁电液晶材料和所述聚合物的混合物注入所述两个衬底F、R之间的空腔、及相分离及固在所述混合物而构成的。

11.根据权利要求10的PDF LCD，其特征在于：所述铁电液晶和所述聚合物的混合比处在重量为1∶1.15-1∶10的范围内。

12.根据权利要求10的POF LCD，其特征在于：注入所述混合物的状况下的温度大约为所述液晶的相转变温度。

13.根据权利要求10的PDF LCD，其特征在于：在所述注入后，所述混合物在规定温度下保持规定时间；

接着被相分离及固化。

14.根据权利要求10的PDF LCD，其特征在于，所述聚合物是UV可固化的；

所述混合物的所述相分离和固化是通过辐照UV而完成的。

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